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1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院 100083; 2.華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院 430030

“高效能洗鞋刷”創(chuàng)新設(shè)計(jì)

陳占營(yíng)1單柏霖1蔣立輝1喬禹1楊爽1江穎穎2

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院 100083; 2.華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院 430030

洗鞋刷是日常生活中的常用清潔用具，目前最常見(jiàn)的刷鞋方式只是用手按住鞋刷用力在鞋內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這不僅會(huì)讓我們的手很不舒服，而且刷不干凈，只能刷到鞋底鞋幫，同時(shí)對(duì)鞋內(nèi)部損害大，時(shí)間久了容易使鞋的內(nèi)部磨損嚴(yán)重，也會(huì)使鞋變形很?chē)?yán)重，影響了鞋的舒適性與耐穿性。同時(shí)，用傳統(tǒng)的洗鞋刷刷鞋時(shí)，我們只是把洗衣粉或洗衣液簡(jiǎn)單的倒在鞋刷上或需要洗刷的部位，當(dāng)浸入水中時(shí)，洗衣粉或洗衣液會(huì)溶解到整個(gè)水盆中，既浪費(fèi)了洗衣粉或洗衣液，又不能使洗衣粉或洗衣液充分作用在要洗涮的部位，因此很難真正把鞋洗刷干凈。

高效；手動(dòng)；轉(zhuǎn)動(dòng)；滾刷

1 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

本設(shè)計(jì)的理念是高效，省力，節(jié)約，具有如下創(chuàng)新點(diǎn)：

1)市場(chǎng)上從未出現(xiàn)此種洗鞋刷。

2)完全手動(dòng),不需電源,使用方便。

3)轉(zhuǎn)動(dòng)滾刷洗鞋,獨(dú)特的轉(zhuǎn)動(dòng)式滾刷,改變了傳統(tǒng)的刷鞋方式,效果好而且保護(hù)了鞋的內(nèi)部。

4)滾刷的外形輪廓依照鞋和鞋楦的多種參數(shù)設(shè)計(jì),能使?jié)L刷更好的與鞋表面接觸,刷到鞋內(nèi)部的各個(gè)部分,改變了傳統(tǒng)鞋刷刷鞋時(shí)只能刷到鞋底和鞋幫的狀況。

5)空腔滾刷,可把洗衣粉倒入,洗衣粉被溶解后逐漸從滾刷上的小孔滲出,充分作用于鞋的表面,既節(jié)約了洗衣粉又能更好的刷鞋。

手每拉動(dòng)手柄一次,滾刷能轉(zhuǎn)動(dòng)2.5轉(zhuǎn),大大提高了刷鞋效率。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

總體結(jié)構(gòu)示意圖

第一代試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

第二代實(shí)物樣機(jī)照片

3 工作原理

本設(shè)計(jì)的工作過(guò)程完全手動(dòng)，使用時(shí)用手握住握把,把整個(gè)鞋刷適當(dāng)?shù)姆湃胄瑑?nèi)，通過(guò)手的作用，拉動(dòng)手柄運(yùn)動(dòng)，從而使齒條帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)過(guò)多級(jí)齒輪增速，使?jié)L刷的運(yùn)轉(zhuǎn)速度為每行程2.5轉(zhuǎn)，而達(dá)到刷鞋的目的。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)分析,計(jì)算出滾刷受到的阻力比較大，連桿在回復(fù)時(shí)就需要強(qiáng)度更高的彈簧，因此在轉(zhuǎn)軸與齒輪Z1之間選用單向軸承，故滾刷只能單向轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，由于滾刷內(nèi)部的空心結(jié)構(gòu),刷鞋前可以把洗衣粉或洗衣液倒入滾刷的空腔中?？涨恢械南匆路蹠?huì)慢慢被溶解，滾刷轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),洗衣液可以通過(guò)滾刷上的小孔滲出，充分作用于鞋的表面，這種刷鞋方式比普通洗鞋刷刷的更干凈。整個(gè)鞋刷可以在鞋內(nèi)靈活移動(dòng)和移出，可以刷到鞋的各個(gè)部位。

4 設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 滾刷的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)說(shuō)明：滾刷的外部形狀設(shè)計(jì)取決于鞋的內(nèi)部空間，我們?cè)O(shè)計(jì)的滾刷形狀是根據(jù)實(shí)際測(cè)得的鞋的內(nèi)部空間設(shè)計(jì)的。由于各種鞋的大小不一，我們選用了一種比較科學(xué)的方法，取男鞋的中號(hào)進(jìn)行測(cè)量，又由于同一號(hào)的鞋又分很多種，因此我們選擇了運(yùn)動(dòng)鞋和休閑鞋。女鞋用的滾刷在此不進(jìn)行設(shè)計(jì)。

測(cè)量方法:用橡皮泥把鞋頭的內(nèi)部填滿(mǎn)，做出內(nèi)部模型，用毫米尺進(jìn)行測(cè)量。運(yùn)動(dòng)鞋與休閑鞋各測(cè)一次，經(jīng)圖像處理，得到兩類(lèi)鞋鞋頭內(nèi)部同一橡皮泥模型截面的外形輪廓如下：

R1=22mm,R2=18mm

為了能使?jié)L刷與鞋的內(nèi)部緊密接觸，同時(shí)滾刷的毛可以有很大程度的彎曲，因此取滾刷的半徑為22mm,滾刷的外形輪廓依照休閑鞋內(nèi)部的橡皮泥模型設(shè)計(jì)。為了保護(hù)鞋的內(nèi)部，滾刷的刷毛不應(yīng)太硬，而且要長(zhǎng)些。

滾刷壁鉆有小孔，保證在滾刷轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)洗衣液可以滲出，經(jīng)過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)，小孔直徑為2mm時(shí)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

以G2京滬高速公路在鎮(zhèn)江市某互通立交為實(shí)例工程。首先對(duì)實(shí)例工程的新建匝道需求進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)本文式（1）可知，實(shí)例工程應(yīng)設(shè)置4×3=12條匝道。根據(jù)現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)（圖5），實(shí)例工程已建有11根轉(zhuǎn)向匝道，因此需要再新建一根匝道，根據(jù)現(xiàn)狀分析，k=4，n0=11，i=1，j=4，同時(shí)對(duì)可行方案數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可知可行方案為：

4.2 整體框架設(shè)計(jì)

手握把長(zhǎng)度b的設(shè)計(jì)依照人手的寬度設(shè)計(jì)，長(zhǎng)度為80mm,既b=80mm。

高度h是通過(guò)查閱相關(guān)資料[1]，選用中幫鞋的高度，結(jié)合相關(guān)尺寸，得出h=160mm。

長(zhǎng)度l的設(shè)計(jì)是通過(guò)查閱相關(guān)資料[2]，選用男鞋中號(hào)即41號(hào)，長(zhǎng)度為255mm，綜合其他尺寸，得出l=190mm。

4.3 內(nèi)部傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

由于裝置的動(dòng)力是由手的握力提供的，因此屬于手操縱力，設(shè)計(jì)時(shí)參照人機(jī)工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)[3]，手操縱力建議不大于150N。

測(cè)量普通鞋刷刷鞋時(shí)單位面積刷毛受到的阻力：測(cè)量刷籃球鞋和休閑鞋時(shí)所用的拉力如下表：

取平均值，求得F=1.45Kg=14.5N。

普通鞋刷的面積為S=75×30 mm2=2250 mm2

普通鞋刷單位面積刷毛受到的阻力：f=14.5÷2250=0.0064N／mm2

滾刷單位面積刷毛受到的阻力：滾刷的刷毛比普通的稀疏，因此滾刷單位面積刷毛受到的阻力f′=0.5×f=0.5×0.0064=0.0032 N／mm2

計(jì)算滾刷的阻力矩：為了便于計(jì)算，把滾刷簡(jiǎn)化為圓柱形，半徑R=22mm,長(zhǎng)為56mm。

側(cè)面阻力矩：

由于刷側(cè)面時(shí)只有半圓柱面接觸鞋的內(nèi)表面：因此側(cè)面積

S側(cè)=2×3.14×56×0.5=3868.48 mm2

側(cè)面阻力矩T側(cè)= f′×S側(cè)×R=0.0032×3868.48×22=272.34N!mm

頂端阻力矩：

T頂端=∫0223.14×r×0.0032×r×d r=0.0032×1/3×3.14×r3!022=35.664 N!mm

因此阻力矩T=T側(cè)+T頂端=272.34+35.664=308.004 N!mm

內(nèi)部齒輪傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如下圖：

選取Z1=20，Z2=32，Z3=14，模數(shù)m=0.5

d1=10mm,d2=16mm,d3=7mm

拉力F=T×Z2/ Z1×2/ d3=308.004×1.6×0.29=142.90 N=14.58 Kg

F=14.58 Kg<15 Kg，因此滿(mǎn)足人機(jī)工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。

選取齒條長(zhǎng)度為34mm,即可求得齒條往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次滾刷的轉(zhuǎn)數(shù)t

t=34/(3.14×7) ×Z2/Z1=2.5轉(zhuǎn)

[1]溫州鹿藝鞋材有限公司，溫州鹿藝鞋楦研究中心編著. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)鞋楦設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：中國(guó)紡織出版社 ,2008年.

[2]高世剛.運(yùn)動(dòng)鞋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).北京：中國(guó)紡織出版社,2011年.

[3]朱龍根主編.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2011年.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.14.051